Черчение

Черные металлы. Наибольшее распространение в машиностроении по­лучили черные металлы — чугун и сталь.

Чугун. Содержание углерода в чугуне составляет более 2%. Кроме желе­за и углерода, в состав чугуна входят примеси: кремний, марганец, сера и фосфор. Последние два из них вредные.

Чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными, анти­фрикционными и легированными.

Серые чугуны имеют повышенное содержание кремния. Углерод, в отли­чие от белого чугуна, находится в них в свободном состоянии в виде чешуек графита. Серые чугуны являются основным материалом для производства чугунных отливок. Сплавы, из которых изготовляют отливки, должны об­ладать хорошими литейными свойствами: жидкотекучестью, незначи­тельной усадкой^*, однородностью структуры, отсутствием неметалличес­ких включений и т. д.

Чтобы улучшить механическое свойство серого чугуна, был найден спо­соб воздействия на графит в тот момент, когда он только образуется в жид­ком чугуне. Способ этот называется модифицированием. Он за­ключается в том, что за несколько минут до заливки в форму в ковш вводят примерно 1% модификатора, например, ферросилиция с алюминием. Леги­рование, т. е. добавление хрома, марганца, никеля или молибдена, повыша­ет прочность³ серого чугуна.

Основные марки серых чугунов, применяемых в машиностроении приве­дены в табл. 1.

Белый чугун получается при быстром охлаждении во время заливки ме­талла в форму. Он имеет уменьшенное содержание кремния или повышен­ное содержание марганца, тверд и хрупок. Используется в основном для пе­редела в сталь.

Ковкий чугун^** получается при длительном отжиге белого чугуна. В изломе такой чугун имеет серебристо-белый цвет. Он очень хрупок и об­ладает такой твердостью, которая совершенно исключает механичес­кую обработку. Чтобы изменить структуру ковкого чугуна, его модифи­цируют.

Модифицированный чугун имеет значительно большую прочность, чем обычный серый чугун. По прочности он приближается к некоторым маркам стали, но хрупкость его остается прежней. Чтобы повысить прочность чугу­на и одновременно улучшить его вязкость⁵, производят модифицирование металлом магнием. Такой чугун называют высокопрочным.

Примерное назначение некоторых марок чугуна, применяемых для изготовления деталей

Табл. 1

Высокопрочный чугун марок 35...100 по ГОСТ 7293-85 при­меняют для ответственных деталей и сложной конфигурации (коленчатые валы, корпуса насосов, поршневые кольца и т. п.).

Ковкий чугун по ГОСТ 1215-79 выпускают двух классов: — ферритного — Ф марок КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12; — перлитного — П марок КЧ 45-7; КЧ 35-5; КЧ 55-4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2. Первые применяют для деталей, не работающих на истирание (рычаги, вилки, кре­стовины, фланцы и т. п.), вторые — для трущихся деталей (коленчатые и кулачковые валы, кулачки, муфты, тормозные барабаны и т. д.). Пример. Обозначение серого чугуна СЧ 15 ГОСТ 1412-85, где: СЧ — условное обозначение серого чугуна; 15 — цифровое обозначе­ние временного сопротивления МПа.10^-1, Пример. Обозначение высокопрочного чугуна ВЧ 50 ГОСТ 7293-85, где: ВЧ — условное обозначение высокопрочного чугуна; 50 — цифровое обозначение временного сопротивления МПа.10^-1. Пример. Обозначение отливки из ковкого чугуна ферритного класса КЧ 30-6-Ф ГОСТ 1215-79, где: КЧ — условное обозначение ковкого чугуна; 30 — цифровое обозна­чение временного сопротивления разрыву МПа(кгс/мм²); 6 — отно­сительное удлинение; Ф — указание на ферритный класс.

Пример. Обозначение отливки из ковкого чугуна перлитного класса КЧ 60-3-П ГОСТ 1215-79, где: КЧ — условное обозначение ковкого чугуна; 60 — цифровое обозна­чение временного сопротивления разрыву МПа(кгс/мм²); 3 — отно­сительное удлинение; П — указание на перлитный класс.

Примечание. В обозначении чугуна определение «серый», «ковкий», «высокопрочный» не пишут.

Сталь. Сталь сплав железа с углеродом (до 2%), содержащий в меньших размерах, чем в других сплавах, такие элементы, как кремний, марганец, сера, фосфор и др.

Сталь — самый распространенный материал в машиностроении. В отли­чие от чугуна она обладает ковкостью¹, большой прочностью, твердостью, вязкостью, хорошо обрабатывается резанием и хорошо сваривается.

Стали подразделяются по химическому составу на углеродистые и леги­рованные.

В углеродистой стали важным компонентом является углерод. Он боль­ше остальных компонентов влияет на физико-механические свойства спла­ва, Примеси (кремний, фосфор и сера) — постоянные спутники в процессе выплавки стали, попадают в нее из руд.

Легированная сталь, кроме обычных примесей (кремния, марганца, се­ры и фосфора), содержит ряд легирующих элементов. Их специально вво­дят в сталь в момент плавки для получения определенных заданных свойств. К ним относятся: никель, хром, вольфрам, молибден, титан, вана­дий, алюминий, медь и кобальт.

Легирующие элементы, входящие в состав стали, определяют ее на­звание, например никелевая, хромомарганцевистая, хромоникелевая и т. д.

Легирующие элементы изменяют как механические, так и физические свойства стали. Так, например, хром увеличивает прочность, твердость и износостойкость стали, но снижает ее пластичность²; никель повышает прочность, твердость и сопротивление коррозии; вольфрам повышает твердость. Однако при выборе легированных сталей надо иметь в виду и экономические соображения. Известно, что марганец, кремний и хром удорожают сталь незначительно, а никель повышает ее стоимость замет­но. При добавлении кобальта, вольфрама и молибдена сталь становится дорогой.

В стандарте на легированные стали приняты буквенные обозначения, приведенные в табл. 2.

Табл. 2

По применению стали могут быть конструкционные и инструменталь­ные. Конструкционные стали служат для изготовления различных инже­нерных конструкций, деталей машин, станков и многих других изделий. В этих сталях должны сочетаться прочность, пластичность и вязкость. Конст­рукционные стали обладают также хорошими литейными свойствами, сва­риваемостью, обрабатываемостью и т. п.

Углеродистые конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные. Стали углеродистые обыкновенного качества подразделя­ются на группы А (поставляемую по механическим свойствам), Б (постав­ляемую по химическому составу) и В (поставляемую по механйческим свой­ствам с дополнительными требованиями по химическому составу). В зави­симости от способа выплавки стали марок Б и В дополнительно маркируют­ся. Примерное назначение некоторых марок стали, применяемых для изго­товления деталей, приведено в табл. 3.

Таблица 3

Примерное назначение некоторых марок стали, применяемых для изготовления

Примечание. В графе «Примерное назначение» можно встретить перечень деталей одного названия, например болты, валики, оси и др. Это значит, что одинаковые по своему названию детали могут иметь разное назначение, режим работы, марку.

Сталь группы А маркируется буквами Ст и цифрами (от Ст.О до Ст.6). Сталь группы Б маркируется буквами М, К, Б (мартеновская, конверторная, бессемеровская): МСт1, МСт2, МСтЗ и т. д. Сталь группы В изготовляется мартеновским способом и маркируется буквой В и цифрой: ВСт2, ВСтЗ. Циф­ра в марке стали означает содержание углерода. Чем больше цифра, тем проч­нее и тверже сталь с соответствующим снижением пластичности и вязкости.

Сталь углеродистая качественная конструкционная выпускается по ГОСТ 1050-88 следующих марок: 10, 15, 20 и др. Если в обозначении марки стали рядом с числом стоит буква Г (например, 65Г), значит, в стали есть марганец.

Инструментальная сталь служит для изготовления режущего, меритель­ного, бурового и прочего инструмента (см. табл. 3).

Высокоуглеродистая инструментальная сталь маркируется по содержа­нию углерода в десятых долях процента: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Буква У указывает, что сталь углеродистая.

Пример. Обозначение высококачественной хромокремнемарганцовистой стали: 35ХГСА ГОСТ 4543-71,

где: 35 — среднее содержание углерода (0,35%); X — хром; Г — марга­нец; С — кремний; А — указание на высококачественную сталь. Инстру­ментальные и иные стали, содержащие минимальное количество фосфора и серы, отмечают буквой А: У8А...У13А.

Сталь легированная конструкционная в зависимости от химического со­става и механических свойств подразделяется на качественную (15Х, 20Х, ЗОХ, 35Х, 40Х, 15ХФ, 18ХГ, 40ХН, 15Н2М, 15ХМ) и высококачественную (38ХА, 12ХНЗА, 20ХНЗА, 40ХФА, 35ХГСА и др.).

Цифры перед буквами указывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Цифры после букв — примерное процентное содержа­ние соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Если цифры нет, значит содержание легирующего элемента равно примерно 1% и менее 2%. Марки высококачественной стали имеют в конце обозначения букву А.

Высококачественная сталь отличается от качественной меньшим содер­жанием углерода, вредных посторонних примесей и более повышенными механическими свойствами.

При чтении обозначения материалов в основной надписи чертежа могут встретиться стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойст­вами. К этим сталям и сплавам могут быть отнесены следующие:

• нержавеющие и кислотостойкие стали марок 10X13, 20X13, 30X13, 40X13, 12Х18Н9;
• жаростойкие стали марок 40Х9С2, 15Х6СЮ, 10Х13СЮ; быстрорежущая сталь марок Р9, Р9Ф5, РКЖ5Ф5 и др.

Твердые сплавы. В современном производстве твердые сплавы находят большое применение в металлообрабатывающей, горной и других отраслях промышленности. Режущие свойства инструментов, изготовленного из твердого сплава, нарушаются лишь при температуре 1000 °С. Таким обра­зом, режущий инструмент, оснащенный

пластинками из твердого сплава, может работать в несколько раз производительнее, чем такой же инстру­мент из быстрорежущей стали.

Твердые сплавы делятся на группы: вольфрамовая, титано-фольфрамовая и титано-тантало-вольфрамовая. Некоторые марки твердых сплавов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Некоторые марки твердых сплавов

Пример. Обозначение твердого сплава из титана ВК2 ГОСТ 3882-74, где: В — указание на содержание карбида вольфрама; К — кобальт; 2 — процентное содержание кобальта (остальные 98% — карбид вольф­рама).

Пример. Обозначение твердого сплава из титана Т15К6 ГОСТ 3882-74, где: Т — условное обозначение титана; 15 — процентное содержание кар­бидов титана (остальные 79% составляет карбид вольфрама); К — кобальт; 6 — процентное содержание кобальта (6%). Всероссийский научно-исследовательский институт твердых сплавов (ВНИИТС) разработал ряд сплавов, которые по многим показателям пре­восходят существующие. Один из них предназначен для обработки углеро­дистых и легированных сталей. Сплав в 1,05...1,2 раза прочнее сплава Т15К6, а по износостойкости превосходит его в 1,86...2,2 раза. Для обработ­ки легированных и модифицированных чугунов предназначен сплав, при­мерно в 2 раза" превосходящий по износостойкости сплав марки ВК6М и в 1,4...1,8 раза прочнее его.

Титан — один из самых «молодых» металлов. Титановые сплавы вдвое прочнее и легче самой высококачественной стали. При температуре 500°С они остаются более прочными, чем, например, нержавеющая сталь при комнатной температуре. Известно, что наружная оболочка самолета при скорости полета свыше 2000 км нагревается до температур, при которых алюминиевые сплавы теряют свою прочность. В связи с этим в сверхзвуко­вых самолетах применяют титановые сплавы.

Кроме прочности и легкости, титан обладает исключительной коррозий­ной стойкостью в самой «агрессивной» среде, т. е, в среде, содержащей вредные газы, растворы солей, кислот и щелочей, способствующих быстро­му разрушению металлов и сплавов. Если другие металлы быстро окисля­ются, ржавеют, то титан надежно противостоит кислотам, солям и щело­чам. Отсюда ясно, какую роль способен сыграть такой металл в бурно раз­вивающейся химической промышленности.

Цветные металлы и их сплавы. Область применения цветных металлов в современном машиностроении огромна. Объясняется это тем, что некото­рые их свойства лучше соответствующих свойств сталей и чугунов.

К цветным металлам относятся: алюминий, медь, цинк, олово, сви­нец, никель, кобальт и др. Их условное обозначение приведено в табл. 5. Применяют цветные металлы главным образом в виде сплавов. Наиболее широкое распространение в машиностроении получили сплавы алюми­ния и меди.

Таблица 5

Условное обозначение элементов при маркировке цветных металлов

Алюминий и алюминиевые сплавы. Алюминий после кислорода и кремния самый распространенный в природе элемент. Он име­ет серебристо-белый цвет, пластичен, обладает высокими антикоррозийны­ми свойствами и хорошей электропроводностью. Алюминий прекрасно про­катывается, штампуется и куется. Он в три раза легче чугуна и стали. В чи­стом виде в природе не встречается, однако с другими элементами он обра­зует около 250 соединений. Сплавы алюминия силумин и дуралюмин полу­чили очень широкое распространение.

Силумины — это литейные сплавы алюминия с кремнием, магнием и ме­дью. Дуралюмины — это пластические сплавы алюминия с медью, магни­ем, марганцем, кремнием и железом.

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в авиационной, авто­мобильной, тракторной промышленности, в приборостроении, а также при изготовлении предметов широкого потребления. В последнее время не оста­лось почти ни одной отрасли промышленности, где можно обойтись без алюминия и его сплавов. В табл. 6 приведены примеры применения алюми­ниевых сплавов.

Пример. Обозначение алюминиевого сплава АЛ4 ГОСТ 1583-89Е, где: А — условное обозначение алюминия; Л — литейный сплав; 4 — по­рядковый номер сплава.

Таблица 6

Примерное назначение некоторых марок алюминиевых сплавов, применяемых для изготовления деталей

Медь и медные сплавы. Медь тяжелее чугуна и стали. Она обла­дает высокой пластичностью, электропроводностью, антикоррозийностью. Ее применяют для изготовления токопроводящих деталей, проводов.

В промышленности весьма широкое применение нашли сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и другими элементами.

Латуни. Латуни — это сплавы меди с цинком. Процентное содержа­ние цинка в латуни колеблется от 3% (Л96) до 43% (ЛС59-1). Латунь очень прочный и пластичный материал, а также более дешевый, чем медь.

Пример. Обозначение латуни Л63 ГОСТ 15527-70,

где: Л — условное обозначение латуни; 63 — процентное содержание ме­ди (63%), остальное — цинк и примеси (37%).

Латуни разделяются на обрабатываемые давлением и литейные. В табл. 7 приведены примеры использования латуней при изготовлении различных изделий.

Бронзы. Различают оловянные бронзы, где преобладающим легирую­щим компонентом является олово, и безоловянные бронзы, представляю­щие собой медные сплавы, легированные другими компонентами.

Оловянные бронзы обладают хорошими механическими и литейными свойствами, а также высокой антикоррозийностью. Так как олово — доро­гой металл и дефицитный, то в настоящее время широко применяют безоловянные бронзы. Некоторые из них по своим механическим и антикоррозион­ным свойствам выше оловянных. Таковы, например, алюминиевые бронзы.

Примерное назначение некоторых марок латуни, применяемых для изготовления деталей

Хорошими литейными и антифрикционными свойствами обладают слож­ные алюминиевые бронзы. Легирующими компонентами в них, кроме алюми­ния, являются: железо, никель, марганец, а в некоторых сплавах — свинец.

Пример. Обозначение оловянной бронзы БрОЦСНЗ-7-5-1 ГОСТ 613-79,

где: Бр — условное обозначение бронзы; ОЦСН — буквенное обозначение элементов; 3-7-5-1 — содержание этих элементов в процентах (3% — олова, 7% — цинка, 5% — свинца, 1% — никеля), а остальное — медь (84%).

Пример. Обозначение безоловянной бронзы БрАЖН10-4-4 ГОСТ 18175-78, где: Бр — условное обозначение бронзы; АЖН — буквенное обозначение элементов; 10-4-4 — содержание этих элементов в процентах (10% — алю­миния, 4% — железа, 4% — никеля), а остальное — медь и примеси (82%).

В табл. 8 приведены некоторые марки бронз, применяемых при изготов­лении различных деталей.

Таблица 8

Примерное назначение некоторых марок бронз, применяемых для изготовления деталей

Олово — мягкий металл серебристо-белого цвета. Благодаря устойчиво­сти олова по отношению к действию воздуха, воды, слабых кислот и неядови­тости его солей изделия из него находят различное применение в промыш­ленности и быту. Большое количество олова идет на лужение жести и медных изделий. Олово входит в состав антифрикционных сплавов, бронз, припоев.

Цинк — тяжелый металл синевато-серого цвета с сильным металличе­ским блеском, хрупкий при обычной температуре. В промышленности ис­пользуют главным образом сплавы цинка, например, латуни. Большое ко­личество цинка расходуется на цинкование железа.

В красочной промышленности цинк и его производные используются для изготовления белил и литопона***. Окись цинка употребляется в резино- *вой, стекольной, керамической и других производствах.

Свинец — металл синевато-серого цвета с сильным блеском в свежем разрезе. Свинец очень мягкий, пластичный, легкоплавкий металл. Он сравнительно плохой проводник тепла и электричества. В промышленнос­ти свинец находит применение в производстве аккумуляторов, кабеля и др. Он используется в качестве составного компонента во многих сплавах. Большое применение свинец имеет в химической промышленности, на­пример при изготовлении специальной химической посуды.

Баббиты — антифрикционные сплавы на свинцовой, оловянной, мед­ной, алюминиевой и цинковой основах. Баббиты главным образом приме­няют для заливки подшипников электродвигателей, турбин, насосов, стан­ков. Они обладают низким коэффициентом трения, пластичностью и хоро­шей прирабатываемостью.

Баббиты маркируют буквой Б с числом, указывающим процентное со­держание в сплаве олова, либо с буквой, характеризующей основной компо­нент сплава (Н — никель, К — кальций и др.). Например, оловянные бабби­ты с наиболее высокими антифрикционными свойствами имеют марку Б83. Это означает, что в них содержится 83% олова, а остальное — сурьма (11%) и медь (6%). Так как все баббиты содержат в том или ином количестве сурь­му и медь, то в марке материала их принято не указывать.

^* Незначительная усадка — минимальное изменение объема при переходе из расплавленного со­стояния в твердое.

** Название "ковкий" чугун неверное: его ковать нельзя. Это название не соответствует своему на­значению, оно устарело, но по традиции употребляется и по сей день.

^** Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением без признаков разрушения.

*** Литопон — белый минеральный пигмент, применяется в малярных красках, для окраски лино­

леума и в резиновой промышленности.